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Article

1 - HYPOTHÈSES GÉNÉRALES ET OBJECTIFS DE L’ARTICLE

2 - MODÉLISATIONS BIDIMENSIONNELLES

3 - UNE TENTATIVE DE SYNTHÈSE

4 - CONCLUSION

5 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : TRI503 v1

Une tentative de synthèse
Théorie de l’usure - Modèles bidimensionnels

Auteur(s) : Éric Felder, Pierre Montmitonnet

Date de publication : 10 déc. 2017

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RÉSUMÉ

Cet article vise à permettre l’optimisation et la prévision de la durée de vie des contacts frottants. La loi de Preston-Archard décrit l’effet sur le volume d’usure de la force normale et de la longueur de glissement à l’aide de la vitesse d’usure. Il présente l’analyse mécanique de contacts frottants à l’aide des modèles microplastiques bidimensionnels et en déduit la vitesse d’usure de matériaux ductiles, pouvant subir de grandes déformations avant rupture. Il discute la validité expérimentale de ce modèle dans le cas des matériaux métalliques et compare cette approche à celles des autres modèles connus.

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ABSTRACT

Wear Theory. Bidimensionnal Models

The aim of this articles is to allow the optimization and the estimation the life time of frictional contacts. The Preston-Archard’s law describes the effect on the wear volume of the normal force and the sliding length with the wear rate.  This article presents the analysis of frictional contacts with the microplastic bidimensionnal models and deduces from them the wear rate of ductile materials, able to be greatly strained before rupture. It discusses the experimental validity of this model in the case of metallic materials and compares this approach to these of the other well known models.

Auteur(s)

  • Éric Felder : Maître de Recherches honoraire - MINES ParisTech-CEMEF, Antibes, France

  • Pierre Montmitonnet : Directeur de Recherches CNRS - MINES ParisTech-CEMEF, Sophia-Antipolis, France

INTRODUCTION

Le mouvement relatif entre deux solides engendre deux phénomènes indissociables et irréversibles : le frottement, c’est-à-dire la résistance mécanique à ce mouvement relatif et l’usure, c’est-à-dire la perte de matière des corps antagonistes. Contrairement au frottement qui a des conséquences positives et négatives, l’usure des pièces frottantes des mécanismes et des outils de fabrication n’a que des côtés négatifs et doit être minimisée. Toutefois, un contact implique deux antagonistes et il est souvent souhaitable de concentrer les phénomènes d’usure, a priori inévitables, sur l’une des deux pièces, la plus facile et la moins coûteuse à changer. Il faut noter par ailleurs que l’objectif des procédés d’usinage par abrasion est d’ôter de la matière à la pièce usinée à la vitesse la plus élevée possible, tout en minimisant l’endommagement et l’usure des agents abrasifs.

Comme il faut pouvoir prendre en compte l’usure dans la conception des machines et des opérations de fabrication, l’objectif de cet article est de fournir des modèles permettant de prévoir la vitesse d’usure des pièces frottantes et ainsi de maîtriser leur durée de vie. La loi de Preston-Archard a été présentée et commentée dans [TRI500]. Elle décrit l’effet sur le volume des débris d’usure V de la force normale P et de la longueur de glissement L à l’aide de la vitesse d’usure k. Dans un certain domaine de validité, lorsque les effets thermiques restent limités, on peut caractériser un contact frottant par sa vitesse d’usure : k = V/( PL ). L’article [TRI501] décrit les divers mécanismes d’usure d’origine mécanique, thermomécanique et physico-chimique. L’article [TRI502] présente la modélisation de l’usure par extrusion de bavures périphériques et l’approche élémentaire de l’abrasion à l’aide des équations de bilan de forces, de matière et d’énergie et des résultats des essais de rayure. Il précise la vitesse d’usure k ou le coefficient d’usure k* = k HV des matériaux ductiles, où HV désigne la dureté Vickers de la pièce considérée, sachant qu’un matériau ductile peut par définition subir de grandes déformations avant rupture. Le présent article poursuit l’analyse mécanique des contacts frottants à l’échelle microscopique entamée dans [TRI502]. Il présente l’approche bidimensionnelle, analytique, puis numérique, de l’abrasion, puis discute la validité expérimentale de ces diverses modélisations de l’usure induite par une contre-pièce dure et rugueuse dans le cas des métaux.

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KEYWORDS

wear   |   fatigue   |   cracking   |   Preston-Archard's law

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-tri503


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3. Une tentative de synthèse

On se propose ici d’effectuer une comparaison des approches développées dans [TRI502] et le présent article afin d’évaluer leur pertinence pour la modélisation de l’usure des alliages métalliques. Dans un premier temps, on montre que le modèle d’usure par extrusion de bavures peut vérifier de manière approchée la loi de Preston-Archard, souvent observée expérimentalement, puis on discute l’effet des caractéristiques de la rugosité du solide dur sur la loi d’usure.

3.1 Effet de la géométrie microscopique et macroscopique d’une pièce sur sa loi d’usure par extrusion de bavures

Les calculs sont valables pour les géométries de pièces considérées ci-dessous, cylindre à axe parallèle à la surface ou sphère, qu’elles représentent la géométrie macroscopique de la pièce ou ses motifs de rugosité ou d’écarts de forme. Dans ce dernier cas, ils ne décrivent que le stade initial de l’usure où la rugosité initiale ou les écarts de forme de la pièce s’atténuent peu à peu. Lorsque cette rugosité ou ces écarts de forme ont disparu, ce qui peut prendre un certain temps si l’usure est douce, un second régime démarre où la géométrie à considérer est celle des écarts de forme si le stade précédent est celui de la rugosité, ou la géométrie macroscopique de la pièce si le stade précédent est celui des écarts de forme. Il y a donc schématiquement trois stades successifs dans l’usure de la pièce. À noter que cette évolution n’existe pas pour un mécanisme d’usure qui suit la loi de Preston-Archard, comme on va le vérifier : à tous les stades, le volume d’usure V est proportionnel à L et P, avec une même valeur de la vitesse d’usure k. On suppose la rugosité ou les écarts de forme uniformes en première approximation. La force normale P est supposée constante.

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - CHALLEN (J.M.), OXLEY (P.L.B.) -   An explanation of the different regimes of friction and wear during the abrasion of metals,  -  Wear 53 229-243 (1978).

  • (2) - PETRYK (H.) -   *  -  Slip line field solutions for sliding contact, Proc. I. Mech. Engrs Int. Conf. Tribology : Friction, lubrication and wear (London) C140/87 987-994 (1987).

  • (3) - CHALLEN (J.M.), OXLEY (P.L.B.) -   Predicting Archard’s wear coefficient for metallic sliding friction assuming a low cycle fatigue wear mechanism,  -  Wear 111 275-288 (1986).

  • (4) - BLACK (A.J.), KOPALINSKI (E.), OXLEY (P.L.B.). -   Sliding metallic wear test with in-process wear measurement : a new approach to collecting and applying wear data,  -  Wear 200 30-37 (1996).

  • (5) - MOALIC (A.), FITZPATRICK (J.A.), TORRANCE (A.A.) -   The correlations of characteristics of rough surfaces with their friction coefficients, Proc.  -  Instn Mech. Engrs 201 (C5) 321-329 (1987).

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